数字音频功率放大器的设计与制作

数字音频功率放大器的设计与制作

摘要：本数字音频功率放大器的设计以芯片TDA8920B为核心。本文简要介绍了该芯片TDA8920B的功能，并描述了以其基本组成的数字音频功率放大器。文章还包含对功率放大器的相关参数的一些简单测试方法，以及对该制作的评估。

关键词：数字音频；功率放大器；芯片TDA8920B；制作

经过十多年的发展，数字音频功率放大器的技术已经日趋成熟。且由于数字功放所具有的诸如小体积大功率[1]的优点，也使它的应用已经渗透到了许多需要用到音频放大的领域，如舞台扩音、家庭影院等等。出于对所学应用物理专业知识进行巩固与提升的目的，笔者选择了数字音频功率放大器的设计制作这个课题。下面将会介绍以芯片TDA8920为核心的数字功放电路的设计过程.。

1 音频功率放大器的分类

在数字功率放大器得到发展之前，我们熟悉的功放都是模拟功放。模拟功放是对时间轴上的连续变化的信号（如电压、电流）进行放大。后来出现的数字音频功率放大器通俗的讲则是对时间轴上的离散信号0、1进行变换[2]。

1.1 模拟功放

模拟功放的基础是是放大线性信号。按放大器的静态工作点来分类，有A类、B 类、AB类[3]。其中，A类放大器中，电流连续地流过所有输出器件，即输出级元件总处于导通区。它的电源转换效率非常低，功耗也很大。B类放大器是一种器件导通时间为50%的放大器。效率比A类高但随之而来的失真更大。AB类放大器则融合了A类放大器和B类放大器的特点。它在B类放大电路的基础上升级，但采用了一种推挽式电路，因此每个晶体管都不会被彻底截止。

1.2 数字功放

数字功放就是核心功率放大部分完全处于开与关状态的放大器。D类放大器的内部晶体管只有两种工作状态，即开与关工作，它属于数字功放。D类功放工作原理是先把模拟音频信号转换为PWM 信号(脉冲宽度调制)或PDM（脉冲密度调制）信号,，而后用这两种脉冲信号去控制大功率开关器件通或断。D类放大器从理论上来讲效率可达百分之百。电源利用率可逼近90%。它的转换速率高，瞬态响应特性好，可靠性极高，体积小，发热小。

图1 数字功放与模拟功放的比较

2 芯片TDA8920介绍

2.1 功能说明

2.1.1 概述及特点

TDA88920B是一种高效率低功耗的D类音频功率放大器[4]。它的典型输出为2×100W。此放大器有非常宽的电压供应，从±12.5V到±30V。同时它的静态电流消耗非常低。可组成立体声单端（SE）放大器或单声道桥接式（BTL）放大器。增益固定：立体声单端（SE）30dB，单声道桥接式（BTL）36dB。

通过模拟输入级输入的音频信号被数字脉宽调制[5]（PWM）器转换为PWM信号。为了使输出功率晶体管被驱动，这一数字PWM信号施加以控制和信号交换电路和俱有高端和低端的驱动电路。这样就完成了一次从低功率数字PWM信号（在逻辑电平上）到高功率PWM信号的转变。

一个二阶低通滤波器将PWM信号转变为可通过扬声器解析的模拟音频信号。

TDA8920B是内含高效D-MOS管，驱动器，振荡器，信号交换电路一片式D类放大器。

为了实现保护功能，芯片内置了温度传感器和最大电流测量器。

TDA8920B的双声道包含了两个PWM系统，两个负反馈回路和两个差分输入级。它还包含了两个声道共用的的振荡器，所有参考源和模拟功能与数字定时管理器。

TDA8920B包含两个独立的高输出功率、高效低失真、低静态电流的放大信道。放大信道可以被连接为以下配置：单声道桥接负载（BTL）式，立体声单端（SE）式

该音频放大系统可以用MODE引脚切换三种工作模式。待机模式：只消耗非常低的电源电流；静音模式：此模式下放大器在工作，但是输出端的音频信号由于输入级VI转换器的禁用而被抑制；运行模式：此模式下放大器完全运行并且能够输出信号。

2.1.2 脉宽调制频率

放大器的输出信号是载波频率大约317kHz的PWM信号。用二阶低通滤波器可以可以将放大器输出的PWM信号转换为扬声器可以解析的模拟音频信号。这一转换频率以连接在引脚OSC和引脚VSSA之间的外连电阻Rosc来确定定。载波频率最好设置为300kHz至350kHz之间。在引脚OSC端接一个30kΩ的外部电阻可以设置载波频率为317kHz。

如果两个或者更多的放大器应用于一个音频系统中，建议最好使用外部时钟电路以使所有芯片都以同一频率运行。

2.1.3 保护机制

TDA8920B包含了以下保护：过温保护；过流保护；窗保护；电源电压保护，欠压保护，过压保护，不平衡保护。每种错误条件所触发的芯片保护回应都不一样。

2.2 芯片内部框图

见图2。

2.3 引脚信息

见图3。

图2 芯片TDA8920BTH内部框图图3 芯片TDA8920BTH引脚描述

图4 芯片TDA8920BTH引脚配置2.4 静态特性

图5 芯片TDA8920BTH的静态特性

2.5 立体声双SE配置的特性

图6 芯片TDA8920BTH在立体声双SE模式下的应用2.6 输出功率估计

在SE模式下的可达到的输出功率可以由以下表达式来估计：

（1）

最大电流（内部限制为8A）为：

（2）

变量含义：

=负载阻抗

=振荡器频率

=最小脉冲宽度（典型值为150ns）

=单边电压（所以，如果电压为对称的±30V，=30V

=限幅条件下的输出功率

=THD=10%条件下的输出功率

=1.24×

3 基于TDA8920B的功放电路设计

电路围绕该芯片搭建，采用了立体声双SE的模式。

3.1 调制信号（三角波）发生器的设计

芯片内部已经内置了振荡电路，该振荡电路产生的三角波信号将作为音频的调制信号对音频进行调制。由于音频放大电路的特殊性，要求该调制信号应当满足以下两点：（1）调制后的信号应能被完整地恢复。所以依据奈奎斯特定律，载波频率至少应当满足人的耳朵所能听到的最高频率20000Hz的2倍，即应当为40000Hz以上。（2）产生的调制信号必须稳定，即频率和幅度必须保持一致。由于芯片内置了振荡电路，且本设计不计划采用外部时钟电路，所以无法对在内部产生的调制信号的稳定性进行优化。引脚OSC和VSSA间的电阻ROSC决定振荡频率。其中调制信号的频率采用芯片手册推荐的317kHz，此时引脚OSC和VSSA间的电阻ROSC应当选择30kΩ。

3.2输出端滤波电路的设计

输出端滤波器负责将PWM信号解析为喇叭能识别的模拟音频信号。一个良好的输出滤波可以保证PWM信号中的称EMI(电磁干扰)信号被基本滤除，从而使THD（总谐波失真）随之降低。因为该功率放大器是应用于音频的，根据音频信号的特点，为了获得在通带中最大的平坦响应，不妨采用二阶巴特沃斯滤波器。其中，为了使THD趋于最小，滤波器中电感和电容的取值还应当随着负载喇叭的阻抗大小而有相应变化。该电路的输出滤波由R9、R22、C22、C24、C31、C32、L3、L4组成。电路原理图及原件取值如图7所示。